Widerstände in Tokamak-Gefäßwänden können zu einem störenden Energieverlust führen

Die als Tokamaks bekannten Fusionsgeräte können unter bestimmten Bedingungen einen plötzlichen Energieverlust an den Gefäßwänden erleiden. Forscher nennen diesen Energieverlustprozess eine Störung. Eine Ursache ist eine magnetohydrodynamische (dh Leiten von Plasma in einem Magnetfeld) Instabilität oder Modus, der mit dem Vakuumgefäß koppelt.

Neue Forschungsergebnisse zeigen, dass die Rate des thermischen Energieverlusts mit dem Wachstum einer bestimmten Instabilität, dem resistiven Wandrissmodus (RWTM), übereinstimmt. Experimentelle Messungen zeigen, dass die Plasmatemperatur auf einer Zeitskala abfällt, die mit dem Modenwachstum übereinstimmt. Simulationen zeigen, dass der RWTM in Gegenwart einer perfekt leitenden Wand stabil wäre und dass der instabile Modus auf eine ausreichende Amplitude anwächst, um den schnellen Verlust von Plasmaenergie zu verursachen. Dieser schnelle Energieverlust wird als thermisches Quench bezeichnet. Die simulierte Amplitude und die Einsatzbedingungen stimmen mit experimentellen Ergebnissen überein.

Das Ziel der Entwicklung von Fusionsenergie treibt Forscher an, Experimente für den ITER-Tokamak zu entwickeln. ITER befindet sich derzeit im Bau und wird nach seiner Fertigstellung der größte und leistungsstärkste Tokamak der Welt sein. Diese Forschung gibt Aufschluss darüber, wie schnell thermische Quenches in ITER auftreten können. Dies wird sich darauf auswirken, wie die Betreiber diese Störungen mindern. Unkontrollierte Störereignisse in einer großen Maschine wie ITER können erhebliche Schäden am Schiff verursachen und müssen vermieden werden.

Simulationen eines Standard-ITER-Referenzszenarios sagen voraus, dass das Plasma für RWTMs instabil sein wird. Wenn thermische Quenchs von RWTMs angetrieben werden, wie es in bestehenden Geräten beobachtet und modelliert wurde, dann wird die thermische Quench in ITER viel länger sein als ursprünglich erwartet. Diese Informationen können den Betreibern helfen, das Störungsminderungssystem von ITER zu modifizieren und dadurch die damit verbundenen Risiken zu reduzieren.

Bei Tokamak-Störungen wird Plasmaenergie schnell zu den Gerätewänden transportiert. Die Zeitdauer dieses thermischen Abschreckprozesses legt die Anforderungen für etwaige Minderungstechniken fest, die angewendet werden könnten. In kürzlich veröffentlichten Forschungsergebnissen in Physik der Plasmen von HRS Fusion und der DIII-D National Fusion Facility, einer Einrichtung des Energieministeriums, haben Wissenschaftler ein auf Physik basierendes Verständnis dieses Prozesses detailliert beschrieben, indem sie Experimente, Simulationen und Theorie kombiniert haben, um die Entwicklung von Plasmainstabilitäten während einer Störung zu untersuchen.

Simulationen zeigen sowohl, dass die Skalierung der Instabilitätswachstumsrate mit den Erwartungen basierend auf der Gefäßleitfähigkeit übereinstimmt, als auch, dass die thermische Abschreckzeit proportional zur linearen Wachstumszeit ist. Die simulierte Wachstumsrate und Amplitude des RWTM stimmt mit der Zeitskala der thermischen Abschreckung im Experiment überein. Die Ausweitung dieses Ergebnisses – vom DIII-D-Tokamak, wo die thermische Löschung typischerweise einige Millisekunden beträgt, auf ITER – legt nahe, dass die Dauer der thermischen Löschung in ITER in der Größenordnung von 70–100 Millisekunden liegen könnte. Wichtig ist, dass diese Arbeit eine physikalische Grundlage für die Bestimmung der relevanten Zeitskala in ITER liefert, und eine längere thermische Abschreckung reduziert die technischen Einschränkungen bei verschiedenen Techniken zur Minderung von Störungen.